CN108429354A - 一种用于电动汽车的无线供电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于电动汽车的无线供电装置，采用磁耦合谐振式和磁感应式的无线电能收发方式，包括发射线圈、接收线圈、发射线圈磁芯和接收线圈磁芯，发射线圈磁芯由磁芯细轴和位于其两端的磁芯两端圆台组成；发射线圈紧贴磁芯细轴缠绕；发射线圈的高度与磁芯细轴的长度l_core相等；磁芯两端圆台的高度h为发射线圈磁芯的长度l的1/6；磁芯两端圆台上底面均靠近磁芯细轴且磁芯细轴的横截面半径为r_core、两个上底面的半径r和发射线圈的半径r₁相等；磁芯两端圆台的下底面半径R与接收线圈的半径r₂相同；接收线圈的高度与接收线圈磁芯的长度L相同。本发明无线电能传输效果更好，大幅度提高传输距离和传输效率。

Description

一种用于电动汽车的无线供电装置

技术领域

本发明属于无线电能传输技术领域，涉及一种用于电动汽车的无线供电装置。

背景技术

传统的直接接触式电能传输存在诸如产生接触火花，影响供电的安全性和可靠性，甚至引起火灾或爆炸，造成重大事故等弊端。因此寻找一种更为灵活、方便的电能传输方式成为人类的一个美好追求。早在19世纪末，NicolaTesla就进行过远距离无线输电的实验研究，但因技术和资金限制未能实现。国内外研究较多、较成熟的能量非接触传输技术大多采用电磁感应原理，但该种方式的能量传输效率随着距离增加迅速衰减，因此仅适合在短距离(mm级)上应用。基于磁耦合谐振的无线能量传输技术打破了电磁感应方式传输效率依赖于耦合系数的传统思路，为无线能量传输技术带来了突破。该系统依靠线圈磁耦合共振强耦合实现能量的高效率、大距离传输，并不依赖于发送与接收线圈间的耦合系数。磁耦合共振式无线能量传输方式的出现激发了业界极大的研究兴趣，为大距离(m级)条件下能量的高效无线传输提供了全新的思路

磁耦合谐振式无线电能传输通过2个谐振在相同频率上的电感线圈之间的近场磁耦合来传输能量，较之感应耦合式传能，在传输距离上有了很大的扩展；相比于微波辐射式传能，其对电磁环境的影响较小，且传输功率较大，因此受到越来越广泛的关注和研究。

磁耦合谐振式无线传能技术虽然提高了传输距离，特别是轴向上的距离，实用性得到了很大的提高。但该种技术存在一个被称为临界耦合的最佳工作状态，此状态对应的距离就是最佳传输距离。在超过临界耦合距离之外，其传输功率和传输效率随着传输距离迅速降低,这就大大降低了其使用价值。以此如何解决电动汽车远距离充电问题刻不容缓。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种用于电动汽车的无线供电装置，扩展了无线电能的传输方式，将谐振耦合式无线电能传输与传统感应式无线电能传输相结合，较之单一模式下的无线电能传输效果更好，大幅度提高传输距离和传输效率，为电动汽车的无线供电提供了具体实在的技术模型。本发明通过以下技术方案予以实现：

一种用于电动汽车的无线供电装置，采用磁耦合谐振式和磁感应式的无线电能收发方式，包括发射线圈、接收线圈、发射线圈磁芯和接收线圈磁芯，其特征在于，所述的发射线圈磁芯由磁芯细轴和位于其两端的磁芯两端圆台组成；所述的发射线圈紧贴磁芯细轴缠绕；所述的发射线圈的高度与磁芯细轴的长度l_core相等；所述的磁芯两端圆台的高度h为发射线圈磁芯的长度l的1/6；所述的磁芯两端圆台上底面均靠近磁芯细轴且磁芯细轴的横截面半径为r_core、两个上底面的半径r和发射线圈的半径r₁相等；所述的磁芯两端圆台的下底面半径R与接收线圈的半径r₂相同；所述的R大于r；所述的磁芯两端圆台的锥角定义为α，r以α/2对应的斜率线性均匀的变化到R；所述的接收线圈紧贴接收线圈磁芯缠绕；所述的接收线圈的高度与接收线圈磁芯的长度L相同；所述的接收线圈磁芯的横截面半径r′与接收线圈的半径r₂相同；所述的l与L相同，设最小损耗参数为F_min，按照下式计算得到接收线圈磁芯的长度L：

其中

可按照下式计算磁芯细轴的横截面半径r_core：

其中

根据磁芯两端圆台的上底面半径r、下底面半径R和圆台的高度h，按下式计算出磁芯两端圆台的锥角α，即

根据发射线圈的横截面半径r₁、接收线圈磁芯的长度L、发射线圈的匝数N₁和铜线线径d_wire，按下式分别计算出：

发射线圈的层数K₁＝N₁d_wire/l_core；

发射线圈的总线长L₁＝2πN₁r₁+πN₁ ²d_wire/l_core

其中，r₁＝r_core，

根据接收线圈的横截面半径r₂、接收线圈磁芯的长度L、接收线圈的匝数N₂和铜线线径d_wire，按下式分别计算出：

接收线圈的层数K₂＝N₂d_wire/L；

接收线圈的总线长L₂＝2πN₂r₂+πN₂ ²d_wire/L。

相对于现有的无线电能传输结构，本发明的优点在于：发射线圈通过近场谐振耦合方式发射前级输入的交变电磁场，接收线圈通过感应耦合方式接收发射线圈发出的交变电磁场。此外，设置的发射线圈磁芯和接收线圈磁芯利用磁芯磁化时产生的磁场增强了发射线圈和接收线圈的磁耦合作用。该装置扩展了无线电能的传输装置，将谐振耦合式无线电能传输与传统感应式无线电能传输相结合，较之单一模式下的无线电能传输效果更好，大幅度提高传输距离和传输效率，为电动汽车的无线供电提供了具体实在的技术模型。

附图说明

图1是本发明的用于电动汽车的无线供电装置的结构示意图；

图2是本发明接收线圈磁芯立体结构图；

图3是本发明发射线圈磁芯等效计算示意图；

图4是本发明磁芯两端圆台立体结构图；

图5是本发明实施案例中互感数据分析图；

图6是本发明实施案例中电能传输效率数据分析图。

其中：

(1)：发射线圈(2)：接收线圈

(3)：发射线圈磁芯(4)：接收线圈磁芯

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明一种用于电动汽车的无线供电装置的设计方法做出详细的说明。

如图1所示，本发明的用于电动汽车的无线供电装置，设置有交流电压源、发射线圈补偿电容、外接负载、发射线圈、接收线圈、发射线圈磁芯和接收线圈磁芯。发射线圈连接前级交流电压源，用于发射电源输的交变电磁场，并通过发射线圈补偿电容使发射线圈的谐振频率与电源的中心频率进行匹配，以保证较低的反射系数；接收线圈与外接负载构成装置的接收回路，接收线圈通过磁耦合的方式接收来自发射线圈的交变磁场，为外接负载提供能量。此外发射线圈和接收线圈分别紧贴磁芯细轴和接收线圈磁芯缠绕，利用磁芯磁化时产生的磁场，增大发射线圈和接收线圈间的磁耦合作用。本例中的发射线圈和接收线圈均为线径为2mm的漆包铜线，磁芯材料为TDK Corp.PC40。

本发明的设计方法如图2、图3和图4所示，以某用于电动汽车的无线供电装置为实施例，设计给定值如下：

接收线圈的半径r₂＝5cm，最小损耗参数F_min＝0.5,发射线圈的匝数N₁＝20,接收线圈的匝数N₂＝30和铜线线径d_wire＝2mm。

本发明的用于电动汽车的无线供电装置设计方法的步骤如下：

①根据接收线圈的半径r₂确定接收线圈磁芯的横截面半径r′和磁芯两端圆台的下底面半径R,即R＝r′＝r₂＝5cm；

②根据接收线圈磁芯的横截面半径r′＝5cm和最小损耗参数F_min＝0.5，按下式计算出：接收线圈磁芯的长度L，即

其中

则L＝6cm

③根据接收线圈磁芯的长度L确定发射线圈磁芯的长度l＝L＝6cm和磁芯两端圆台的高度h＝l/6＝1cm.

④根据发射线圈磁芯的长度l＝6cm,磁芯两端圆台的下底面半径R＝5cm和最小损耗参数F_min＝0.5，按下式计算出：磁芯细轴的横截面半径r_core，即

其中

h＝l/6,r＝r_core

则磁芯细轴的横截面半径r_core＝2cm.

⑤根据磁芯两端圆台的下底面半径R＝5cm,磁芯细轴的横截面半径r_core＝2cm和发射线圈磁芯的长度l＝6cm按下式计算出磁芯两端圆台的锥角α，即

其中：r＝r_core＝2cm。

⑥发射线圈的横截面半径r₁＝r_core＝2cm，接收线圈磁芯的长度L＝6cm、发射线圈的匝数N₁＝20和铜线线径d_wire＝2mm，按下式分别计算出

发射线圈的层数K₁＝N₁d_wire/l_core＝20×0.2/4＝1；

发射线圈的总线长L₁＝2πN₁r₁+πN₁ ²d_wire/l_core＝2π×20×2+π×20²×0.2/4＝3.14m

其中：

⑦根据接收线圈的横截面半径r₂＝5cm、接收线圈磁芯的长度L＝6cm、接收线圈的匝数N₂＝30和铜线线径d_wire＝2mm，按下式分别计算出

接收线圈的层数K₂＝N₂d_wire/L＝30×0.2/6＝1；

接收线圈的总线长L₂＝2πN₂r₂+πN₂ ²d_wire/L＝2π×30×2+π×30²×0.2/6＝4.71m。

基于此搭建的系统平台，得到相关的仿真数据如图5，图6所示。与传统单一模式下的无线传能技术相比，本发明大幅度提高了发射线圈和接收线圈间的互感，同时也能提高传输效率和传输距离。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于电动汽车的无线供电装置，采用磁耦合谐振式和磁感应式的无线电能收发方式，包括发射线圈、接收线圈、发射线圈磁芯和接收线圈磁芯，其特征在于，所述的发射线圈磁芯由磁芯细轴和位于其两端的磁芯两端圆台组成；所述的发射线圈紧贴磁芯细轴缠绕；所述的发射线圈的高度与磁芯细轴的长度l_core相等；所述的磁芯两端圆台的高度h为发射线圈磁芯的长度l的1/6；所述的磁芯两端圆台上底面均靠近磁芯细轴且磁芯细轴的横截面半径为r_core、两个上底面的半径r和发射线圈的半径r₁相等；所述的磁芯两端圆台的下底面半径R与接收线圈的半径r₂相同；所述的R大于r；所述的磁芯两端圆台的锥角定义为α，r以α/2对应的斜率线性均匀的变化到R；所述的接收线圈紧贴接收线圈磁芯缠绕；所述的接收线圈的高度与接收线圈磁芯的长度L相同；所述的接收线圈磁芯的横截面半径r′与接收线圈的半径r₂相同；所述的l与L相同，设最小损耗参数为F_min，按照下式计算得到接收线圈磁芯的长度L：

其中

2.根据权利要求1所述的用于电动汽车的无线供电装置，其特征在于：按照下式计算磁芯细轴的横截面半径r_core：

其中

3.根据权利要求1所述的无线供电装置，其特征在于：根据磁芯两端圆台的上底面半径r、下底面半径R和圆台的高度h，按下式计算出磁芯两端圆台的锥角α，即

4.根据权利要求1所述的一种用于电动汽车的无线供电装置，其特征在于：根据发射线圈的横截面半径r₁、接收线圈磁芯的长度L、发射线圈的匝数N₁和铜线线径d_wire，按下式分别计算出

发射线圈的层数K₁＝N₁d_wire/l_core；

发射线圈的总线长L₁＝2πN₁r₁+πN₁ ²d_wire/l_core

其中，r₁＝r_core，

5.根据权利要求1所述的无线供电装置，其特征在于：根据接收线圈的横截面半径r₂、接收线圈磁芯的长度L、接收线圈的匝数N₂和铜线线径d_wire，按下式分别计算出：

接收线圈的层数K₂＝N₂d_wire/L；

接收线圈的总线长L₂＝2πN₂r₂+πN₂ ²d_wire/L。